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1、毕 业 设 计 论 文计 时 仪 指导老师姓名： 专 业 名 称：应用电子技术班 级 学 号： 05131132论文提交日期： 2008年1月8日论文答辩日期： 2008年1月122008年1 月 8 日目 录一、绪论二、设计任务和要求21设计目的22基本任务和要求23功能部分三、计时仪原理3.1. 计时仪简介3.2. 计数仪的设计、原理分析3.2.1 电源部分3.2.2秒产生电路3.2.3 控制电路3.2.4计数部分3.2.5显示部分四、 元器件清单五、硬件调试六、结论七、参考文献附录一 整体电路原理图一绪论【摘要】：在数字电路中，计数器属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。计数器
2、不仅仅用来记录脉冲的个数，还大量用作分频、程序控制及逻辑控制等，在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。该四位计时器的精度可以达到0.01s，利用数字集成电路精确地计时，为产品生产提供了很好的帮助。 该计时仪主要采用数字集成电路来实现以上功能，设有四位数码管，利用CD4511和CD4518进行计数和显示，体现了电路简单、稳定可靠、价廉、控制时间精确及系统体积小等优点。计数器可将机械或人工计数方式变为电子计数，并且采用LED数码显示，简单直观，可适用于诸多行业，以满足现代生产、生活方式的需求。【关键字】:计时仪 CD4511 CD4518 【ABSTRACT】: Digital time
3、is mainly used for the rapid industrial machinery operating time, particularly for the operation of sophisticated machinery time. The four 0.01s timer accuracy can be achieved using precision digital integrated circuits to time to help provide a good production. The time is mainly used to achieve th
4、e function of digital integrated circuits, digital control with four CD4511 and CD4518 count and use, also have control circuit. Users can realize the need to counter the need to control reflects a simple circuit, reliable and cheap. The small size and precision time control systems and so on. 【KEYW
5、ORDS】:Counter CD4511 CD4518 二. 设计任务和要求 21设计目的1. 熟悉集成电路的引脚安排。2. 掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。3. 了解面包板结构及其接线方法。4. 了解计数仪的组成及工作原理。5. 熟悉计数仪的设计与制作。22基本任务和要求：1）任务：用数字电路设计一个数字计数仪2）基本要求：a.时钟能够显示 秒 毫秒 微妙,精度0.01S；b.电路具有可调时功能。23功能部分：1）时间能够显示时； 2）提高时钟准确三、计时仪3.1计时仪的简介数字计时仪主要用于工业机器运转中的快速计时,尤其用于精密机器运转的计时。该四位计时器的精度可以达到0.01s，利用数字
6、集成电路精确地计时，为产品生产提供了很好的帮助。该计时仪主要采用数字集成电路来实现以上功能，设有四位数码管，利用CD4511和CD4518进行计数和显示，还设有控制电路，用户可以根据需要用以控制计数器来实现需要，体现了电路简单、稳定可靠、价廉、控制时间精确及系统体积小等优点。3.2 计时仪的设计、原理分析 电路设计原理分析：计时仪以其显示时间的直观性、走时准确性而受到了人们的欢迎并很快走进了工业。作为一种计时工具，计时仪的基本组成部分离不开计数器，在控制逻辑电路的控制下完成预定的各项功能。所以电路分成两个部分进行设计:1.硬件部分: CD4511 CD4518 CD4513 CD40106 1
7、00K晶振 2000UF-16V电容 9V-5W变压器2.原理部分: 电路简单易懂,原理清晰,设计排版整齐. 原理框图如下： 电源电路 AC 220V DC5v脉冲电路 分频电路 100KHZ控 制 电 路 100HZ计数电路 清零、复位、保持显示电路 图3.13.2.1电源部分因为考虑到4518、4513等芯片的基本供电电源为5V，所以电源220V交流经过变压器之后，然后经过二极管桥式整流，2000UF大电容滤波后采用三端固定稳压器7805进行供电。具体电路流程图如下：稳压电 路电 容 滤 波二 极 管 整 流变 压 器 AC 220V 2000uf 9V 5V图 3.2在设计电路的时候，考
8、虑到三端固定稳压器7805的电源的输入输出特性，所以变压器应该在8V-9V之间，故计时电路采用的变压器为9V 9W变压器。经过以下桥式整流电路： 图3.3桥式整流电路和波形图再经过9V 2000UF的电容滤波电路：图3.4滤波电路电容滤波器是利用电容充电和放电来使脉动的直流电变成平稳的直流电，最后送给三端固定稳压器，输出直流5V电流。滤波电容在开关电源中起着非常重要的作用，如何正确选择滤波电容，尤其是输出滤波电容的选择则是每个工程技术人员都十分关心的问题。50Hz工频电路中使用的普通电解电容器，其脉动电压频率仅为100Hz，充放电时间是毫秒数量级。为获得更小的脉动系数，所需的电容量高达数十万F
9、，因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。而开关电源中的输出滤波电解电容器，其锯齿波电压频率高达数十kHz，甚至是数十MHz，这时电容量并不是其主要指标，衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗-频率”特性，要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。三端固定稳压器CW三端固定稳压器78为固定式三端稳压器，它只能输出一个稳定电压。固定式三端稳压器的常见产品如图1.1所示。 图3.5 CW78、CW79系列稳压器CW78系列稳压器输出固定的正电压， 7805输出为5
10、V。 图3.6 CW78典型应用电路3.2.2 秒产生电路在电路中，各级CD4518的R、CP端并接在一起，采用下跳沿计数，低位计数器的Q3端接高位计数器的CP端，这样，脉冲信号源产生的100.00KHZ 信号每次1/2CD4518被十分频一次，经过3次十分频后，形成了秒脉冲信号。100.00KHZ脉冲源 CD4518 10K CD4518 1KHZ CD4518 100 CD4518 CP Q3 CP Q3 CP Q3 CP Q3 R CP R CP R CP R CP 图3.7 施密特触发器可以对脉冲波形进行整形，使它的上升沿或下降沿变得陡直。施密特触发器具有翻转特性，还可用于电压幅度鉴别
11、电路中。施密特触发器外接定时元件（R，C），还可以组成单稳态触发器，多谐振荡器等。因此，施密特触发器有较广泛的用途。电路中，CD40106B 由6个施密特触发器电路构成。每个电路的功能是作为一个带施密特触发器输入的反向器使用。 当正极性或负极性信号输入时，触发器在不同的点翻转。正极性(VP)和负极刑(VN)电压的不同之处由迟滞电压(VH)确定。（CD40106）3.2.4控制电路计时的开始、中断、停止、复位都需要进行控制，所以控制电路应该具有以上功能。对其状态的控制，并不改变它的频率大小，所以我们可以通过4013这个D型触发器和4081门电路来实现以上功能。实际的2输入与门电路（如CC4081
12、）由2个非门和1个或非门组成。 D型触发器也称为延迟触发器。D型触发器输出状态的改变依赖于时钟脉冲的触发作用，即在时钟脉冲出发时，输入数据由数据端传输至输出端。图3.7 4013 管脚图图3.8 4013 功能表 与门是执行与功能的逻辑部件，其逻辑关系的特点是：只有当全部输入端都处于高电平时，输出端才为高电平；只要有一个输入为低电平，输出端就处于低电平。（CD4081） 与门的性能指标：1 输入端和输出端均附加反相器作为缓冲级；2 具有对称的输出驱动能力：Iol=Ioh；3 具有对称的输出波形：tphl=tplh,Tthl=Ttlh;4 输入高电平和输入低电平时的抗干扰能力相同，且保证值达30
13、%VDD； 3.2.5计数电路(4518) CD4518是二/十进制同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为17和915。该计数器分是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚6脚；11脚14脚）。此外还必须掌握其控制功能，否则无法工作。手册中给有控制功能的真值（又称功能表），即集成块的使用条件，如表2所示。从表中看出，CD4518有两个时钟输入端CP和EN，若用时钟上升沿触发，信号由CP输入，此时EN端应接高电平“1”，若用时钟下降沿触发，信号由EN端输入，此时CP端应接低电平“0”，不仅如此，清零（又称复位）端Cr也应保持低电
14、平“0”，只有满足了这些条件时，电路才会处于计数状态，若不满足则IC不工作。计数时，其电路的输入输出状态如表3所示。值得注意，因表3输出是二/十进制的BCD码，所以输入端的记数脉冲到第十个时，电路自动复位0000状态。从波形图中可以看出，Q4端的输出频率为原来脉冲的0.1倍，所以利用Q4脚的输出特性可以对100MHZ的晶振进行分频来达到我们电路所需要的100HZ。CD4518引脚功能(管脚功能)如下：1CP、2CP：时钟输入端。1CR、2CR：清除端。1EN、2EN：计数允许控制端。1Q01Q3：计数器输出端。2Q02Q3：计数器输出端。Vdd：正电源。 图3.9 4518管脚图 图3.10
15、4518功能图 图3.11 4518波形图根据4518的的功能表， 我们可以知道当有脉冲触发时，EN或者CR管脚任意为高电平，芯片则开始加计数。具体的功能表及真值表如下：CPEN CR功能10加计数00加计数XX1清零（复位）Q1-Q4为0图3.12 4518 的功能表输入输出CP或EN0123456789Q40000000011Q30000111100Q20011001100Q10101010101 图3.13 4518的真值表我们还可以从真值表里得出，利用EN端下降沿触发的特点组成N位十进制计数器。从波形分析，当输入端的计数脉冲到第10个时，电路自动复位0000状态，因为4518没有进位功
16、能的引脚，所以应该充分利用第6或14脚输出脉冲的下降沿，利用该脉冲和EN端相连，就可以实现电路进位的功能，根据分析结果，电路设计如下：图3.143.2.6显示电路(4511及数码管)译码和数码显示电路是将数字钟的记时状态直观清晰地反映出来,被人们的视觉器官所接受。显示器件选用LED七段数码管.在译码显示电路输出信号的驱动下,显示出清晰,直观的数字符号。CD4511是BCD-锁存/七段译码/驱动器，有灯测试功能；以反相器作输出级，用以驱动LED或数码管；具有消隐输入；显示数6时，a=0,显示9时，d=0 . 1-B,2-C,3-LT（为灯测试输入端）,4-BI（数据输入端）,5-LE（锁存使能，
17、锁存输入使能）,6-D,7-A,8-VSS（电源负极）（A，B，C，D为门电路的输入端）9-e,10-d,11-c,12-b,13-a,14-g,15-f, 16-vdd(电源正极)（a,b,c,d,e,f,g为译码输出；显示字符端输出，连接数码管的相应脚。 图3.15 4511的管脚图CD4511 是一个用于驱动共阴 LED 显示器的 BCD 码七段码译码器，其引脚路如图 6.1 ，逻辑功能见表 2，8421 BCD 码对应的显示见图 7.1。其功能介绍如下： BI：当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭状态，不显示数字。LT：当BI=1，LT=0 时，不管输入 DCB
18、A 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：使能控制端，当LE=0时，允许译码输出。 DCBA：为8421BCD码输入端。 abcdefg：为译码输出，输出为高电平。CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。译码器还可以有拒伪码功能，当输入码超过1001时，输出全为“0”，数码管熄灭。 CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。其引脚图如3-2所示。 CD4511的工作原理 1. CD4511的工作真值表如表3-2 2. 锁存功能 译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制
19、端LE的电平状态。 当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。如图3-3（3）译码 CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数 据B、C进行组合，得出A、B、C、D四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。 （4）消隐 BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐控制电路如图3-4所示。 消隐输出J的电平为 J=（C+B）D+BI如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D据上式，当输入BCD代码从1010-1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。 要将451
20、1的七个输入端接至数码管对应的端口上。通+5V电源和将十进制数的BCD码接至译码器的相应输入端A，B，C，D即可显示09的数字。四位数码管可接受四组BCD码输入，CD4511与LED数码管的连接图如下：CD4511真值表：输 入 输 出 LEBILIDCBAabcdefg显示 XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐 011000011111100011000101100001011001011011012011001111110013011010001100114011010110110115011011000111116011011111100007011100011
21、11111801110011110011901110100000000消隐 01110110000000消隐 01111000000000消隐 01111010000000消隐 01111100000000消隐 0111111000000消隐 111XXXX锁 存 锁存 LED数码管： LED数码有共阳和共阴两种，把这些LED发光二极管的正极接到一块（一般是拼成一个8字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳的，相反的，就叫共阴的，那么应用时这个脚就分别的接VCC和GND。再把多个这样的8字装在一起就成了多位的数码管了。一个LED数码管可用来显示一位0-9十进制数和一个小数点。小型数码管（0.5
22、寸和0.36寸）每段发光二极管的正向压降，随显示光的颜色不同略有差别，通常约为2-2.5V，每个发光二极管的点亮电流在5-10MA。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码动能，还要有相当的驱动能力。 1显示器的检测（1）LED数码显示器的检测 判断LED数码显示器的极性。对于标识不清的LED数码显示器，可以通过用万用表R*10K挡测量来确定其极性。1）测量时，将黑表笔串接1节1.5（电池的负极接万用表“-”端，正极接黑表笔）后，接数码显示器任一引脚不动，用红表笔依次碰触其余各引脚。若同一位数码管上的几个笔端均发光，则说明被测数码显示器为共阳
23、极结构，且黑表笔接的是该数码管的公共阳极。2）若测量时各位数码管均不亮，则应对调表笔，即将红表笔串接1节1.5V干电池（电池的负极接红表笔，正极接万用表的“+”端）后，接数码显示器任一引脚不动，用黑表笔去依次触碰其余各引脚。若测量时同一位数码管上各表笔段均发光，则说明被测数码显示器为共阴极结构，且红表笔接的是该数码管的公共阴极， （2）检测已知极性的LED数码显示器 对于已知极性的LED数码显示器，用万用表R*10K档直接测量其内部各发光二极管的正，反向电阻值，即可判断好坏。1） 共阴极LED数码显示器，可将万用表的红表笔与公共阴极相接不动，用黑表笔依次去触碰其它各引脚，触碰哪个管脚，相应的笔
24、端应发光，同时万用表的指针也会大幅度向右摆动。2） 共阳极LED数码显示器，可将万用表的黑表笔与公共阳极相接不动，用红表笔依次去触碰其它各引脚，触碰哪个管脚，相应的笔端应发光，同时万用表的指针也会大幅度向右摆动。3） 若测量数码显示器公共端与某引脚之间的正向电阻值为0或为无穷大，则说明该显示器内部有发光二极管击穿或开路损坏。 四、原器件的选择+5V电源LCD数码管4个CD4511芯片4个、CD4518芯片8个、40106芯片3个、4081、4013芯片各一个100K晶振一个，7805稳压器一个电阻、电容若干五、调试过程介绍:接好电源，我们准备认真调试。调试过程中，出现了一数码管F段不亮的故障。
25、在指导老师的帮助下，首先我准备测量与。该数码管F段相连接的CD4518点之间的电路部分，检测CD4518是否有电源5V 供应。根据电路图，CD4518的15 脚与F段相连，用万用表R*1档，在电阻R2间测量，结果显示正常，为200欧姆。通过测量结果，可以判断问题故障出在数码管内部。接着，我准备检测数码管是否正常。用万用表的电阻挡*1档，黑表笔接数码管的2脚，红表笔接CD4518的16脚+5V电源端，经过测量，表针不转动，显示无穷大。所以可以判断该数码管是坏的。所以我们进行更换数码管。取出一数码管，进行检验其好坏，通上电源，检测每一管脚是否通路，经过我们小组队员的帮助，我的数码管很快就更换好了。
26、引一根+5V的电源引线，用以控制电路的清零和控制端；通电之后，将引线触碰CD4013的10脚和11脚将实现该功能，却发现不能实现。断电之后，对照电路图，用万用表的R*1档测量CD4013个引脚的接线是否有开路；经测量发现CD4013的14引脚断路，5V电压没有接上。利用工具，将5V引线接至CD4013的14脚。通电之后，利用万用表的电压档测量CD4013的14脚电压，发现电压已经加上，再次利用5V引线触碰CD4013的10脚和11脚，发现可以正常计时并显示。而且可以进行清零、保持的控制。 最后，调试成功。六、经验总结从总体上来看，电路设计制作还是比较成功的，跟以往的制作相比，本次电路是我们全组
27、在老师的指导下独立制作出来的，因此获得了很多的经验，综合如下：1，设计思路是实现操作的扎实基石一个良好的设计电路，是电路的生命，宁愿在思路设计上多花上50%的时间，因此前期看似慢，实际上恰恰给后期的制作带来很大方便，效果往往更是节省了许多时间。2、电子制作慢工出细活在制作过程中，马虎不得，粗心不得，特别是电子类的设计更应该如此，一步一步来，逐个逐个调试，不可囫囵吞枣，不可贪图方便。3、活学活用这次设计让我基本上真正体会到了书本知识永远是基础，而基础正是你向高层次迈进的扎实阶梯，没有这个基础，就无法实现技术上的腾飞。在实践当中，灵活运用书本上的所讲知识，万变不离其中，只有扎实掌握了核心方法，才有
28、可能做到灵用巧用。 4、检索资料 在这次设计中，有很多东西是在书本上找不到的，我们利用课余时间到图书馆和上网检索，学会了如何准确的检索。 最后，感谢我们的指导老师，在我们遇到困难时，她总是一丝不苟的帮助我们，并且不断的鼓舞我们，给了我们精神上很大的安慰。使我们成功的完成了这次设计。七、主要参考资料: 网站：中国电子资源网，文献： 1电子技术课程设计指导 湖南大学出版社2毕满清 电子设计实验与课程设计（第三版）机械工业出版社，20053 郭少勇 实验电子技术M，石油出版社，20044 王源使用电路基础M，机械工业出版社，20035 王兰君新编电工使用电路500例河南科学技术出版社，2005 附录1
